GIN灌浆法力学原理探究

    李素萍 吴言聪

    

    

    

    【摘? 要】GIN（Grouting Intensity Number）灌浆法以水泥稳定浆液为基础，是一种较传统灌浆法施工速度更快、更节约材料、施工更简单的灌浆工法。论文以浆液在最理想的水平层状裂隙扩散的物理模型来揭示GIN灌浆法的力学原理，以增进国人对GIN灌浆法的理解。GIN灌浆法是在满足一定质量要求的前提下对浆液扩散范围进行严格控制的灌浆方法。

    【Abstract】Based on the cement stabilized slurry， GIN （Grouting Intensity Number） grouting method is a grouting method with faster construction speed， more material saving and simpler construction than traditional grouting method. The paper uses the physical model of slurry spreading in the most ideal horizontal layered cracks to reveal the mechanical principles of GIN grouting method， so as to improve the understanding of GIN grouting method by China's people. The GIN grouting method is a grouting method that strictly controls the spread of slurry under the premise of meeting certain quality requirements.

    【關键词】GIN灌浆法;模型;原理

    【Keywords】GIN grouting method; model; principles

    【中图分类号】TV543? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）05-0158-03

    1 引言

    基于水泥稳定浆液的GIN（Grouting Intensity Number）灌浆法也叫作“灌浆强度值灌浆法”或“GIN限制灌浆法”。因单段灌浆中保持灌浆压力P与灌浆单耗V的乘积为一常数（GIN值）而得名。由瑞士灌浆专家隆巴迪博士（G.Lombardi）于1993年首次提出。其较传统灌浆方法具有施工速度快、节约材料、施工简单等优点。已在许多国家得到了广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。GIN法灌浆在国外已是一项成熟的工法，在国内还处于推广的阶段。

    水泥稳定浆液为水灰比小于0.6的水泥浆，以及在水灰比0.6～1.0的水泥浆中加入少量的稳定剂（常用膨润土）经高速搅拌制成2h析水率小于5%，又有一定塑性屈服强度的浆液。应用于GIN灌浆的稳定浆液常取水灰比为0.6～0.8。

    常见流体分2种：一种是可以由粘滞系数单独表征其流变特性的牛顿流体，典型如水和油;一种是由粘滞性和粘聚性（以下称塑性屈服强度）共同决定其流变特性的宾汉流体，典型如牙膏和泥浆。其中，粘滞性控制流速，粘聚性控制最远扩散距离（对于指定的灌浆压力及岩石裂隙宽度）。水泥稳定浆液属于宾汉流体。

    要使岩体灌浆紧密就必须消耗一定的能量。在一个灌浆段内，能量的消耗近似等于灌浆压力P和灌浆单耗V的乘积，即PV。这个数值GIN值又叫灌浆强度值。

    灌浆，顾名思义，最简单的理解就是把浆液灌入裂隙中去。由此，所有的关于灌浆的问题便简化为把什么样的浆液用什么样的方式灌入什么样的裂隙中去的问题。围绕这些问题，本文以浆液在最理想的水平层状裂隙扩散的模型来揭示GIN灌浆法的力学原理。

    2 稳定浆液在裂隙中流动的力学模型

    稳定浆液属于宾汉流体，结合经典流体力学理论，本文以最简单的水平层状均匀裂隙（如图1）为例，讨论稳定浆液在一定灌浆压力P下达到力平衡时（即在此压力下不再吃浆时）的各种灌浆参数。

    2.1 稳定浆液在裂隙中的流态

    宾汉流体流经一定宽度的裂隙时有稳定的流核（如图2所示）。

    流核厚度e的表达式为： e= ? ? ? （1）

    其中，τ0——浆液塑性屈服强度;

    J——压力梯度;

    γ——浆液重度。

    2.2 稳定浆液在裂隙内的压力分布

    维特根据浆液的力平衡方程和边界条件推导出稳定浆液在裂隙内的压力分布公式为[1]：

    Pi=P-（Ri-r0）? ? ? （2）

    其中，Ri——离钻孔中心的距离;

    ？啄——裂隙宽度;

    r0——灌浆孔半径。

    2.3 稳定浆液在既定压力及既定裂隙下的最大扩散距离

    由式（2）可知，当Ri在孔壁附近时，作用在稳定浆液上的压力为灌浆压力P。而当Ri在最大灌浆半径Rmax时，Pi和τ0浆液塑性屈服强度相等，浆液停止流动，可求得浆液在灌浆压力P下的最大扩散距离Rmax。因为稳定浆液的塑性屈服强度一般不大于4Pa，相对于MPa级的灌浆压力可以忽略为零。将Pi=0带入式（2），计算得Rmax表达式为：

    Rmax+r0? ? ? ?（3）

    2.4 稳定浆液在既定压力及既定裂隙下的最大吸浆量

    浆液在均匀水平层状裂隙中以钻孔中心为圆心饼状扩散至最大扩散距离Rmax（如图3）。由此可求得此压力下的最大吸浆量Qmax。

    Qmax=？啄πR2max=? ? ?（4）

    2.5 稳定浆液在灌浆过程中的平均灌浆速度

    在整个灌浆过程中，浆液在裂隙内的流速呈线性分布。平均灌浆速度Fa近似正比于平均灌浆压力及裂隙宽度，近似反比于裂隙自身阻流特性和浆液塑性屈服强度。其中，裂隙自身阻流特性近似反比于裂隙宽度。其表达式为：

    Fa=? ? ? （5）

    其中，k——一个实验系数;

    Pa——灌浆过程中的平均灌浆压力。

    3 GIN灌浆法的力学原理

    3.1 关于可灌性

    經实验得当裂隙宽度小于2倍流核厚度e时，光滑壁面产生纯挤出;裂隙为粗糙面，则浆液停止流动[2]。

    结论1：由式（1）可知，裂隙宽度只有大于浆液的2倍流核厚度才有可灌性。提高灌浆压力，掺加高效减水剂降低浆液的塑性屈服强度，可以减小流核厚度，增加可灌性。

    3.2 关于GIN值

    GIN=PV。在灌浆压力P下达到的最终GIN值的表达式为：

    GIN=PV=PQmax/L? ? ? （6）

    其中，V——灌浆段单耗;

    L——灌浆段段长。

    由此可以得出如下结论：

    结论2：由式（6）可知，在既定的稳定浆液和既定的裂隙中，最终GIN值仅与灌浆压力P有关，且和灌浆压力的3次方成正比。

    结论3：结合式（3）和式（6）可知，在既定的稳定浆液下，保持GIN值一致，实质上就是保持了浆液扩散半径的一致。

    结论4：结合式（3）和式（6）可知，GIN灌浆法对浆液扩散半径的控制和裂隙的宽度δ无要求，仅需要保证裂隙宽度δ和灌浆压力P的乘积为一个常数即可。由此便既可以做到用较高压力灌注细微裂隙保证灌浆质量，又可以用较低压力灌注宽大裂隙，避免浆液超出设计浆液扩散距离，节约了灌浆材料及灌注此部分无效浆液的时间。

    结论5：结合式（3）和式（6），显而易见，对于一个实际的灌浆段来讲其裂隙宽度δ是平均而言的。所以GIN灌浆对扩散半径的控制也是整体性的、平均而言的。具体到特定的单个灌浆段，依旧存在宽大裂隙浆液扩散距离远、细微裂隙浆液扩散距离不足的问题。传统的稀浆开灌，逐级变浓的灌浆方法可以在牺牲一部分灌入宽大裂隙的稀浆灰量的基础上保证单个灌浆段内的细微裂隙得到足够的填充。由此可知，GIN灌浆法对处理裂隙开度不均匀程度大的地层效果不如传统灌浆法。这便是GIN灌浆不适用于防渗标准透水率q≤1的高防渗要求地段的原因。

    GIN灌浆法质量控制的核心便是：相似灌区仅选用一种稳定浆液（保证浆液塑性屈服强度一致）并选取合适的GIN值。在灌浆操作中始终保持GIN值一致，以此做到在始终严格控制浆液扩散范围的情况下对地层进行灌浆处理[3]。

    GIN值的选取可以理论计算，也可以由工程类比及灌浆实验确定。

    3.3 关于灌浆时间

    将式（4）最大吸浆量Qmax除以式（5）平均灌浆速度Fa可得灌浆时间T的表达式：

    T? ? ? ?（7）

    结论6：由式（7）可知在既定浆液条件下，各灌段的灌浆时间T取决于GIN值、实验系数k、灌浆过程的平均压力Pa以及裂隙宽度δ。在既定浆液、既定GIN值和既定裂隙宽度条件下，灌浆时间T仅取决于灌浆过程中的平均灌浆压力Pa且与之成反比。于是，在保证不发生浆力劈裂和地层抬动等不利情况下可以提高灌浆过程的平均压力Pa以进一步缩短灌浆时间。

    3.4 关于GIN灌浆法

    结论7：综合结论1～6，得出GIN灌浆法较传统灌浆方法具有施工速度快、节约材料、施工简单的优点。实质上，GIN灌浆法是在满足一定质量要求的前提下对浆液扩散范围进行严格控制的灌浆方法。传统灌浆法在处理高标准帷幕灌浆等方面自有其优势。现阶段，GIN灌浆法仍不足以完全替代传统灌浆法。但可以预见的是，GIN灌浆法是灌浆技术走向精确控制（对浆液扩散范围、灌浆材料、灌浆时间，灌浆质量）道路上的一个里程碑式的重要成果，代表了基岩灌浆处理技术的未来走向。随着灌浆材料、灌浆设备以及灌浆工艺的不断发展，GIN灌浆法的应用必定会更加有效和普遍。

    4 说明与讨论

    本文中所指灌浆压力为灌段中点的实际灌浆压力。真实的实际灌浆压力受管路沿程损失、地下水压力、压力表安装位置及压力表误差等各种复杂因素的影响，会和压力传感器显示压力有所不同。

    本文中所推理的最大扩散距离公式是在理想情况下得到的，考虑裂隙本身的阻流性质，实际情况还需根据实验乘以一个小于1系数。

    因专业及知识局限，本文未能从工程地质角度对各种裂隙性质作出分析讨论，而各种地质因素如地下水、节理裂隙走向、地质构造、岩土性质等对灌浆效果的影响是具有决定性的。

    GIN灌浆工法较变换浆液比级的传统灌浆工法有诸多优点。但适用范围一般限于基岩及部分覆盖层帷幕灌浆施工及固结灌浆施工。在岩溶发育地段不宜采用，在帷幕防渗标准透水率q≤1的地段也不宜采用。

    【参考文献】

    【1】杨光煦.水泥稳定浆液灌浆参数与方法[A].中国水力发电工程学会水工及水电站建筑物专业委员会.2002年水工专委会学术交流会议学术论文集[C].中国水力发电工程学会水工及水电站建筑物专业委员会：中国水力发电工程学会，2002：9.

    【2】武桂枝.盘石头水库大坝基岩灌浆施工[J].河南水利与南水北调，2007（4）：46-47.

    【3】齐伟军，夏春.稳定剂水泥浆流变机理研究[J].混凝土，2005（9）：6-10+17.